独轮车机器人驱动关节特性的分析及实验研究

为了研究独轮车机器人驱动关节的特性,针对一台3驱动独轮车机器人样机,采用多种方法对其关节驱动电机的电流跟踪响应(正弦电流、指数衰减电流、阶跃电流)、速度跟踪响应(正弦速度、指数衰减速度)、力矩系数辨识以及车体俯仰平衡控制进行了实验和分析。研究结果表明,驱动关节对不同电流和速度曲线的跟踪响应在时域上存在一定滞后,但在幅值和频率上体现了良好的动态性能,且关节驱动电机的电流与关节的输出力矩具有较好的线性关系(τi=2.47I)。利用该关系并引入了基于部分反馈线性化设计的PD控制器即可达到一定的俯仰平衡控制效果。本研究明确独轮车机器人驱动关节特性对系统平衡控制的意义,可为独轮车机器人的其他平衡运动提供理论参考。

独轮机器人质心参数对侧向控制影响的研究

研究独轮机器人的侧向控制问题,用LQR控制器控制独轮机器人的侧向平衡。为提高驱动系统的参数指标,如选择最大输出力矩和额定转速更大的电机,同时选择减速比更小的减速器。然而这会增加能量消耗,不利于长时间续航;高速运转会增加独轮机器人的振动频率,不利于平衡控制。为了解决上述问题,提出降低独轮机器人的总质心以增大侧向倾角的可控范围的方法。侧向倾角的可控范围增大,用数值仿真对两种方法进行了对比分析。结果表明,所需电机的额定转速高达20000r/min,减速器的减速比低至1:42,改变为电机的额定转速只需要3000r/min,减速器的减速比为1:16。可得出的结论为降低独轮机器人的总质心可以增大侧向倾角的可控范围,为控制系统设计提供了参考。

球形机械陀螺全向进动的运动学原理分析

针对现有机械陀螺结构复杂或通常只能单方向进动的不足问题，提出一种自转轴能够按任意方向进动的新型球形陀螺机构，重点对系统运动学原理进行分析和试验。采用球形外壳作为机械陀螺的浮动支撑，以三对全向轮为系统的驱动输入，通过全向轮带动球壳运动设计出球形陀螺机构；根据全向轮与球壳接触的纯滚动假设以及相对运动原理分析系统的运动学特性，建立系统的运动学耦合数学模型；采用物理样机试验对建立的运动学模型进行试验验证，结果表明。无论是在电机驱动下还是人工手拨动球壳，数学模型计算值均能够对实测值进行较好地跟踪。本文研究可为球形机械陀螺的陀螺力矩控制提供理论依据。